一种基于BLEMesh网络的资产定位方法及系统

一种基于ble mesh网络的资产定位方法及系统
技术领域
1.本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种基于ble mesh网络的资产定位方法及系统。


背景技术：

2.由于早期的低功耗蓝牙只能实现“点对点”的通信，不支持mesh组网，不能进行“多对多”的通信，所以目前商用的定位产品常用的蓝牙定位方法有基于范围检测的定位、基于信号强度的定位以及基于角度的定位三种。
3.基于范围检测的定位系统是利用不同功率等级的蓝牙设备的信号覆盖范围不同这一特性来实现的，资产管理标签用来发送带有自身mac地址等信息的信号，蓝牙网关则用来读取并解析资产管理标签发来的信息，能收到信息就表示资产在网关所在的房间，这种方法只能识别空间中资产的存在，而不能检测资产的位置。
4.基于信号强度的定位系统是利用接收到的信号强度值为特征量进行定位，这种方法定位精度在1～10m范围，这取决于锚节点的部署密度以及所使用的优化方法。一般可以分为信号模型定位法和场强指纹匹配法两类。信号模型定位法通过公式将接收到的rssi值换算成距离，用基于测距的算法进行目标定位，这类方法通常需要配合滤波算法或迭代算法来提高定位精度。而场强指纹匹配法是直接用接收到的rssi值与前期建立的指纹数据库进行比对，从而得到定位坐标，此类方法不需要解算，但是前期的指纹离线采集需要耗费大量的时间及人力成本。
5.基于角度的定位系统则是通过锚节点中的天线阵列获取信号在不同天线之间的相位差，从而获得来波方向的角度信息，再利用三角定位算法来实现定位。相比基于信号强度的定位方式极大的提高了定位精度，甚至可以达到亚米级。然而，这类定位方法对硬件要求较高，需要配备天线阵列，不仅成本高而且数据处理较复杂。
6.基于范围检测的资产定位系统只能达到“房间级”的定位，其精度不足以满足当下资产定位的需求。而基于信号强度和角度的定位系统虽然定位精度得到了提升，其中基于角度的定位系统甚至远超资产定位的米级定位需求，但是两者当前的系统结构都需要在建设初期部署大量的定位基站作为锚节点，单个定位基站的故障势必影响到其覆盖范围内的资产定位精度，并且数据的回传还需要通过加装wifi模块或是布设网线的方式来解决，使得系统的建设成本进一步增加，前期工程实施复杂。
7.综上所述，亟需一种能满足资产定位精度需求的同时，将成本大幅降低，让前期施工变得更加灵活简便的资产定位方法。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于ble mesh网络的资产定位方法及系统，该方法包括：
9.s1：采用资产标签和网关进行组网，得到利用ble mesh网络进行通信的资产定位
系统；
10.s2：网关周期性地向mesh网络中的所有节点发送心跳包；其中，不同的心跳包具有不同的序列号；
11.s3：mesh网络中所有mesh节点扫描心跳包，得到邻居节点的广播地址和信号强度值；mesh节点判断是否第一次收到该序列号的心跳包，若为第一次，则根据该心跳包获取节点到网关的最短跳距值并向邻居节点转发该心跳包，否则，将该心跳包丢弃；
12.s4：设置信号强度样本数量阈值，节点统计扫描到的信号强度样本数量；若信号强度样本数量达到阈值，则对所有信号强度样本进行处理，得到各邻居节点对应的信号强度均值；
13.s5：mesh网络中所有mesh节点定时将自身的邻居节点的广播地址和信号强度均值以及节点自身的电量信息进行打包；将打包后的信息经网关传回后台定位服务器；
14.s6：后台定位服务器根据打包后的信息对资产进行相对定位解算，得到资产的具体位置。
15.优选的，得到邻居节点的广播地址和信号强度值的过程包括：mesh节点扫描广播的心跳包，从广播包的元数据中提取邻居节点的广播地址和该包的信号强度值。
16.优选的，判断节点是否第一次收到该序列号的心跳包包括：若mesh节点的缓存中没有与该心跳包序列号和源地址相同的信息，则判断是第一次收到该心跳包并将心跳包的源地址和序列号存入缓存；若mesh节点的缓存中有与该心跳包序列号和源地址匹配的信息，则判断为非第一次收到该心跳包。
17.优选的，对所有信号强度样本进行处理的过程包括：对所有信号强度样本进行高斯滤波处理，得到剔除异常值后的信号强度样本；对剔除异常值后的信号强度样本求均值，得到各邻居节点对应的信号强度均值。
18.优选的，将打包后的信息传回后台定位服务器的过程包括：各mesh节点设置ttl值，将打包后的信息转发至邻居节点；邻居节点判断自身是否为信息的目的地址，若是则接收并处理打包后的信息，否则，判断自身到网关的最短跳距值是否小于或等于ttl值；若自身到网关的最短跳距值小于或等于ttl值，则将ttl值减1后进行中继转发，否则，丢弃打包后的信息。
19.优选的，各mesh节点设置的ttl值为自身到网关的最短跳距值或者自身到网关的最短跳距值加1。
20.优选的，对资产进行相对定位解算包括：采用mds与三边定位算法相结合的方式对资产进行相对定位解算。
21.进一步的，采用mds与三边定位算法相结合的方式对资产进行相对定位解算包括：根据资产标签的数量以及实际部署的环境，设置一个最大全连通节点数量阀值；当回传的数据不能满足最大全连通节点数量阀值时，采用euclidean测距方法对当前最大全连通节点外的两跳范围内缺少的节点间的距离信息进行补全。
22.一种基于ble mesh网络的资产定位系统，包括：监控终端、后台定位服务器、网关、mesh节点；
23.所述mesh节点用于获取邻居节点的广播地址和信号强度均值并打包邻居节点信息；
24.所述网关用于周期性地发送心跳包，接收mesh节点传回的邻居节点信息并将邻居节点信息发送给后台服务器；
25.所述后台定位服务器用于根据邻居节点信息对mesh节点位置进行解算，得到mesh节点的具体位置；
26.所述监控终端用于显示mesh节点的具体位置。
27.本发明的有益效果为：本发明着眼于解决当前资产定位系统要么定位精度低，要么成本高、部署不够灵活等问题，本发明取消定位基站，采用资产标签和网关搭建ble mesh网络，利用ble mesh网络中节点之间可以相互通信的特点，结合其心跳机制来实现对节点之间相互距离的信息获取，并且利用ttl处理机制提高了数据回传的可靠性，最后通过集中式定位算法对资产进行定位解算，得到定位信息。相比现有的基于信号强度/角度的定位系统，本发明通过取消定位基站的部署以及通过ble mesh网络的方式回传数据，定位精度更高，能在满足资产定位的米级要求下，降低前期施工的复杂度，提高系统部署的灵活性，其成本更低、施工方便、灵活性好，具有一定的工程性。
附图说明
28.图1为本发明中基于ble mesh网络的资产定位方法流程图；
29.图2为现有的基于范围检测的定位系统结构示意图；
30.图3为现有的基于信号强度/角度的定位系统结构示意图；
31.图4为本发明中资产定位系统结构示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明提出了一种基于ble mesh网络的资产定位方法及系统，所述方法包括：
34.mesh节点获取邻居节点的广播地址和信号强度均值，mesh节点即蓝牙资产标签，与固定资产一一对应；
35.mesh节点定时打包邻居节点信息并将打包后的信息传回后台定位服务器；其中，邻居节点信息包括邻居节点的广播地址和信号强度均值以及mesh节点自身的电量信息；
36.mesh节点根据后台定位服务器的解算信息，确定出具体位置。
37.现有的基于范围检测的定位系统结构如图2所示，图中的蓝牙标签用来发送带有自身mac地址等信息的信号，网关用来读取并解析蓝牙标签发来的信息，能收到信息就表示资产在网关所在的房间，这种方法只能识别空间中资产的存在，而不能检测资产的位置。基于信号强度/角度的定位系统结构如图3所示，采用这种结构的定位系统需要在建设初期在天花板部署大量的定位基站作为锚节点，单个定位基站的故障势必影响到其覆盖范围内的资产定位精度，并且数据的回传还需要通过加装wifi模块或是布设网线的方式来解决，使得系统的建设成本进一步增加，前期工程实施复杂。
38.本发明还提供一种基于ble mesh网络的资产定位系统，包括：监控终端、后台定位
服务器、网关、mesh节点；
39.所述mesh节点用于获取邻居节点的广播地址和信号强度均值并打包邻居节点信息；
40.所述网关用于周期性地发送心跳包，接收mesh节点传回的邻居节点信息并将邻居节点信息发送给后台服务器；
41.所述后台定位服务器用于根据邻居节点信息对mesh节点位置进行解算，得到mesh节点的具体位置；
42.所述监控终端用于显示mesh节点的具体位置。
43.本发明的一种基于ble mesh网络的资产定位方法的流程如图1所示，进行资产定位具体过程如下：
44.构建基于ble mesh网络的资产定位系统，具体的，采用资产标签和网关进行组网，得到利用ble mesh网络进行通信的资产定位系统；本发明的资产定位系统如图4所示，由mesh节点、网关、定位服务器以及监控终端组成，mesh节点即为资产标签(蓝牙标签)，该定位系统通过把蓝牙标签与网关搭建ble mesh网络的方式实现了定位系统中各设备可以相互通信。组成mesh网络后的蓝牙标签与网关都可以采集相邻节点的信号强度值和广播地址，并且都具备中继功能，区别在于蓝牙标签采取电池供电，每个标签对应一个唯一的资产信息，而网关则是采取市电接入，并可通过串口线与定位服务器通信；定位服务器可解析网关传回的信息并进行定位解算，监控终端将定位服务器解算的定位信息与地图匹配，并进行直观呈现。
45.网关周期性地向mesh网络中的所有节点发送ttl值为127的心跳包，该心跳包可以通过其它节点中继转发到网络中的任何节点；其中，为了防止重放攻击，根据ble mesh协议规定，网关每次发送的心跳包具有不同的序列号seq，seq是mesh网络定义的一个字段，是为了防止重放攻击而将每次发布的消息设置一个唯一的序列号。
46.各mesh节点扫描心跳包，具体的，mesh节点扫描广播包中的元数据，从元数据中国提取邻居节点的广播地址和该包的信号强度值rssi；判断节点是否第一次收到该序列号的心跳包，若为第一次，则根据该心跳包内的ttl字段内容获取自身到网关的最短跳数值，之后将心跳包的ttl值减1并进行中继转发，否则，将该心跳包丢弃。mesh节点判断是否第一次收到该序列号的心跳包包括：若mesh节点的缓存中没有与该心跳包序列号和源地址相同的信息，则判断是第一次收到该心跳包并将心跳包的源地址和序列号存入缓存；若mesh节点的缓存中有与该心跳包序列号和源地址匹配的信息，则判断为非第一次收到该心跳包。
47.设置信号强度样本数量阈值，mesh节点统计扫描到的信号强度样本数量；样本数量阈值在代码烧录至节点之前设置，阈值越大可用于滤波处理的样本值越多，滤波得到的结果越准确，但也需要综合考虑芯片的内存大小，优选的，信号强度样本数量阈值设置为100；若信号强度样本数量达到阈值，则对所有信号强度样本进行处理，对所有信号强度样本进行处理的过程为：当收到满足信号强度样本数量阈值的rssi样本之后，在节点处对这些rssi样本值进行高斯滤波处理，剔除因信号波动带来的数据异常值，得到剔除异常值后的信号强度样本；对各邻居节点的剔除异常值后的信号强度样本求均值，得到各邻居节点对应的信号强度均值。
48.mesh网络中所有mesh节点定时将前期采集到的各邻居节点的广播地址和经滤波
处理后的信号强度均值以及节点自身的电量信息进行打包；将打包后的信息经网关传回后台定位服务器；在回传的过程中，各mesh节点设置回传数据(打包后的信息)的ttl值，将回传数据的目的地址设置成为网关的单播地址；优选的，各mesh节点设置的ttl值为自身到网关的最短跳距值或者自身到网关的最短跳距值加1，通过将ttl设置为自身到网关的最短跳距值加1，产生一定富余度，以此增加回传数据的可靠性；其余节点在对该回传数据进行中继转发之前先判断自身是否为信息的目的地址，若是，即节点为网关时，则接收回传数据并将回传数据通过串口线发送到后台定位服务器；否则，判断自身到网关的最短跳距值是否小于或等于待中继数据中设置的ttl值；若自身到网关的最短跳距值小于或等于ttl值，则将ttl值减1后进行中继转发，否则，丢弃打包后的信息。
49.上述过程保证了数据的回传方向是朝着网关方向转发，以此来避免整个mesh网络中充斥大量的冗余数据，减少消息冲突和内爆，提高数据到达定位服务器的可靠性。
50.定位服务器接收并根据打包后的信息对资产进行相对定位解算，其具体过程为：
51.定位服务器通过接收到的各节点的回传数据，可根据数据从中获得节点间的相互距离信息；采用mds与三边定位算法相结合的方式对资产进行相对定位解算；其中，实行mds定位算法的前提是需要节点构成全连通结构，即任意两个节点之间的距离都知晓。为保证最后的定位精度，本发明将结合资产标签的数量以及实际部署的环境，设置一个最大全连通节点数量阀值，从而确保有足够多的节点可以通过mds这种精度较高的集中式定位算法实现初始定位，并以这些节点作为后续三边定位算法的参考锚节点；当回传的数据本身不能满足最大全连通节点数量阀值时，通过euclidean测距方法对当前最大全连通节点外围的两跳范围内缺少的节点间的距离信息进行补全，当补全后的最大全连节点个数达到设置的阀值要求后再进行上述定位算法的解算，通过此方法可提高最终的资产定位精度。
52.通过定位解算，可获得资产的具体位置信息。
53.相比现有的基于范围检测的定位系统，本发明通过把蓝牙标签与网关搭建ble mesh网络的方式实现了相互通信，并借助由此获取的节点间相互距离信息实现了定位精度的提高；相比现有的基于信号强度/角度的定位系统，本发明通过取消定位基站的部署以及通过ble mesh网络的方式回传数据，大大降低了定位系统的建设成本，同时降低了前期施工的复杂度，提高了系统部署的灵活性。
54.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。